Thermische Auslegung von Umrichtern und Schaltschränken in der Antriebstechnik Verluste minimieren

Das Thermomanagement im Antriebssystem
Das Thermomanagement im Antriebssystem

Um den Wirkungsgrad eines Antriebssystems zu steigern, gilt es nicht nur, die Effizienz des Antriebsstrangs ­zu erhöhen. Ebenso wichtig ist das Thermomanagement im Gesamtsystem – vom Halbleiter bis zum Schaltschrank.

Antriebe mit Frequenzumrichtern spielen heute eine bedeutende Rolle, um Prozesse energieeffizient automatisieren zu können. Trotz hoher Wirkungsgrade bleibt das thermische Management eine Herausforderung sowohl auf Komponenten- wie auch auf Systemebene. Zunächst wird die thermische Auslegung der Leistungsstufe eines Frequenzumrichters vorgestellt. Umrichterhersteller folgen hierbei einem Trend zu stetig steigender Leistungsdichte. Darauf aufbauend werden die Konsequenzen auf die Entwärmung von Schaltschränken vorgestellt und Lösungen diskutiert. Schließlich wird aufgezeigt, welche Auswege der Einsatz neuartiger Leistungshalbleiter aus SiC aus diesem Dilemma bietet.

Typische Anwendung von ­Antriebsumrichtern

Ein großer Teil der heute verkauften Antriebsumrichter wird im Anlagenbau verwendet. Üblich ist dabei der Aufbau der kompletten Energieversorgung und Steuerungstechnik einschließlich der Umrichter für drehzahlvariable Antriebe in standardisierten Schaltschränken.

Der Elektrokonstruktion im Anlagenbau fällt die Aufgabe zu, eine Anlage des Maschinenbaus oder der Verfahrenstechnik mit den nötigen Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen auszurüsten. Um den Anforderungen an die optimale Prozessführung und die Energieeffizienz gerecht zu werden, werden heute für die meisten Aufgaben drehzahlvariable Antriebe eingesetzt. Folgende Merkmale sind typisch für diese Anwendung:

  • Heterogene Struktur mit vielen Antrieben verschiedener Leistung und Aufgaben
  • Geringe Stückzahlen, häufig Einzelstücke
  • Weltweiter Markt
  • Geprägt durch mittelständische Unternehmen
  • Vorgaben für die Energieeffizienz der kompletten Anlage sind nur bei sehr energieintensiven Prozessen möglich und üblich.

Um in diesem Markt erfolgreich zu sein, ist es – neben der Kenntnis der zu automatisierenden Prozesse – eine zwingende Voraussetzung, diese individuellen Konstruktionen mit vertretbarem Zeitaufwand konstruieren, aufbauen und prüfen zu können.

Im Wesentlichen gibt es heute hierzu zwei Ansätze. Für die Mehrzahl der Anlagen erfolgt der Aufbau der elektrischen Steuerungstechnik in standardisierten Schaltschränken, die später zentral an der Anlage aufgestellt werden und über Kabel – teilweise mit erheblicher Länge – mit den Sensoren und Aktoren des Prozesses verbunden werden. Die Zentralisierung ermöglicht es oft, die Schaltschränke getrennt von der Anlage aufzustellen und damit weitestgehend vor negativen Einflüssen des Prozesses, z.B. Wärmeentwicklung, Staub, Feuchtigkeit oder Schadgase, zu schützen. Da dies jedoch nicht immer möglich ist oder aber auch in einem separaten Raum immer noch erhebliche Belastungen gegeben sind, werden oft Schaltschränke in hoher Schutzart, etwa in IP54, ausgeführt. Dies erschwert die Wärmeabfuhr, und die notwendigen konstruktiven Ergänzungen zur Wärmeabfuhr erhöhen den Aufwand für Konstruktion, Fertigung und Wartung [1], [2].

Alternativ dazu sind dezentrale Lösungen möglich, bei denen der Antriebsumrichter entweder in unmittelbarer Nähe des Motors montiert, auf dem Motor angebracht oder sogar zum integralen Bestandteil des Motors wird. Dies erfordert zwangsläufig die Ausführung in hoher Schutzart. In der Regel gibt es hierbei keine separaten Lüfter für den Antriebsumrichter, sodass hierbei auf natürliche Kühlung oder Kühlung durch den Motorlüfter zurückgegriffen werden muss. Aus diesem Grund bleiben solche Lösungen heute auf Leistungen unter 5 kW je Antrieb beschränkt [3]. Vor diesem Hintergrund erscheint es sinnvoll, die Verluste eines Antriebsumrichters im Detail aufzuschlüsseln und Möglichkeiten zur Reduzierung zu diskutieren.

Schwerpunkt der Betrachtung

Im Folgenden sollen General Purpose Drives (GPDs) mit Leistungen bis zu 11 kW betrachtet werden, weil einerseits diese Geräte in großen Stückzahlen eingesetzt werden und andererseits hier das Potenzial für Verbesserungen auf Systemebene am größten ist.

Als Beispiel soll hier ein Umrichter für Motorleistungen bis zu 5,5 kW dienen, der erst seit Kurzem auf dem Markt verfügbar ist [4]. Es handelt sich hierbei um ein Gerät, das im Umrichter inte­grierte DC-Drosseln enthält und sowohl für die Montage auf einer Montageplatte als auch für Flanschmontage geeignet ist. Die Geräte können, wenn die obere Gehäuseabdeckung entfernt wird, unmittelbar aneinandergereiht werden.

 

Netzanschluss

 

3~, 380–480 V

Max. Motorleistung5,5 kW
Nennausgangsstrom13,5 A
Nenn-Umgebungstemperatur

50 °C

Nenn-Trägerfrequenz

5 kHz

Nenn-Eingangsstrom

13,5 A

Verlustleistung gesamt

280 W

 Verlustleistung intern bei Flanschmontage 

40 W

H × B × T

270 × 145 × 227 mm³

 

270 × 145 × 227 mm³
Kenndaten des Umrichters [4]

In der Tabelle sind die wesentlichen Kenndaten zusammengefasst. Solche Umrichter werden heute meistens unter Verwendung von Modulen aufgebaut, die sämtliche Leistungshalbleiter des Leistungskreises in einem einzigen Modul enthalten. 

Dies sind dann ein dreiphasiger Eingangsgleichrichter mit Dioden, ein Ausgangswechselrichter mit sechs IGBTs und ein Bremssteller mit IGBT und Freilaufdiode (Bild 1). Solche Module werden je nach Hersteller entweder als PIM-Modul (Power Integrated Module), CIB-Modul (Converter Inverter Brake) oder Sevenpack bezeichnet.

Eine überschlägige Berechnung der Verluste in den Halbleitern für dieses Beispiel mit dem Infineon-IGBT-Modul FP25R12W2T4 [5] und der Simulations-Software IPOSIM-online [7] ergibt für den Wechselrichter eine Verlustleistung von 110 W. Zusammen mit 20 W, die manuell für den Gleichrichter ermittelt wurden, ergeben sich damit insgesamt 130 W. Hierfür wurde bereits berücksichtigt, dass die meisten Hersteller von Antriebsumrichtern die Einschaltgeschwindigkeit der IGBTs begrenzen, um die Flankensteilheit dU/dt an der Motorwicklung zu begrenzen und die EMV-Filterung zu vereinfachen. 

Unter diesen Annahmen lässt sich dann die Verlustleistungsbilanz aufstellen (Bild 2). Die prozentualen Angaben beziehen sich dabei auf eine Leistung von 6,5 kW im DC-Zwischenkreis, die sich aus der Motornennleistung unter Annahme typischer Wirkungsgrade für Motor und Wechselrichter ergibt. Die interne Verlustleistung von 40 W, die für den Fall der Flanschmontage angegeben wird, setzt sich zusammen aus den Verlusten in Zwischenkreiskondensatoren, Symmetrierwiderständen, Netzteil, Steuerung, IGBT-Treibern und internen Verbindungen. Damit verbleiben von den Gesamtverlusten von 280 W noch 110 W, die der DC-Drossel zugeordnet werden können.

Durch die Integration der DC-Drossel unterscheidet sich dieses Gerät von den meisten anderen Geräten dieser Leistungsklasse, die in der Regel externe AC-Drosseln verwenden, um die Kurvenform des Netzeingangsstromes zu verbessern. Diese externen AC-Drosseln müssen vom Anwender separat beschafft, montiert und verschaltet werden. Ein Verzicht auf jegliche Maßnahmen zur Unterdrückung von Oberschwingungsströmen auf der Netzseite ist nur in wenigen Ausnahmefällen sinnvoll.